可编程控制器网络类型及通信协议

6.3.1　可编程控制器网络类型及通信协议

1）PLC网络的基本拓扑结构

在PLC控制网络中，根据网络拓扑结构可分为三种基本形式：星形结构、总线形结构、环形结构。如图6-15所示。

图6-15　PLC的网络结构

（1）星形结构

图6-15（a）是星形结构。这种结构有中心节点，网络上其他节点都与中心节点相连接。通信由中心节点管理，任何两个节点之间通信都要经过中心节点中继转发。这种结构的控制方式简单，但可靠性较低，一旦中心节点出现故障，整个系统就会瘫痪。PLC较少采用。

（2）总线形结构

图6-15（b）是总线形结构。所有节点连接到一条公共通信总线上。任何节点都可以在总线上传送数据，并且能被总线上任一节点所接收。这种结构简单灵活，容易加扩新节点，甚至可用中继器连接多个总线。节点间通过总线直接通信，速度快、延迟小。某个节点故障不会影响其他节点的工作，可靠性高。但由于所有节点共用一条总线，总线上传送的信息容易发生冲突和碰撞，出现争用总线控制权、降低传输效率等问题。该结构PLC较多采用，如欧姆龙的Controller Link、SYSMAC Link、Ethernet等很多网是总线形结构。

（3）环形结构

图6-15（c）是环形结构。在环上数据按事先规定好的一个方向从源节点传送到目的节点，路径选择控制方式简单。但由于从源节点到目的节点要经过环路上各个中间节点，某个节点故障会阻塞信息通路，可靠性差。

2）PLC网络类型

对于PLC网络，按其组成规模的大小分为简单网络和多级复杂网络。

（1）简单网络

主要是指以个人计算机为主站，一台或多台同型号的PLC为从站，组成的简易集散控制系统。在这种系统中，个人计算机充当操作站，实现编程、显示、操作、监控及报警等功能，而多台PLC负责控制任务；也可以PLC作为主站，其他多台PLC作为从站，构成主从式网络，在主站PLC上配有显示器和打印机等，共同完成操作站的各项功能。例如，在一上位通信系统中，个人计算机作为主站，PLC作为从站。计算机一般有RS-232C接口，当传输距离较近时，计算机与PLC之间的连接用RS-232C接口标准即可，当传输距离较远时，RS 232C接口标准要先通过RS-232C/RS-422变换成RS-422接口标准，然后再进行通信。要注意PLC的类型不同，通信系统中最大的从站数量也不同。

（2）多级复杂网络

现代大型工业企业中，一般采用多级网络的形式。不同PLC厂家的自动化系统网络结构的层数及各层的功能分布有所差异，但PLC制造商常常用生产金字塔（PP-Productivity Pyramid）结构来描述其产品可实现的功能。如德国西门子公司采用的四层生产金字塔由企业管理级、工厂与过程管理级、过程监控级、过程测量与控制级构成；美国A-B公司采用的五层生产金字塔由管理资讯级、主控中心级、分散控制级、独立工作级、现场机电级构成。在工厂自动化系统中，PLC及其网络从上到下各层在通信基础上相互协调，共同发挥作用。

图6-16　生产金字塔及网络

这种金字塔结构的共同特点是：底层负责现场的监测与控制，中间层负责生产过程的监控和优化，上层负责生产管理。

最基本的PLC的生产金字塔及网络通常分为如图6-16所示的三层结构。

①管理层（信息层）：它是网络的最高级，主要采用通用计算机（包括大、中型计算机），负责工程和产品设计、制定材料资源计划、处理有关生产数据、企业内部协调管理等方面的工作。

②控制层：是在生产线上使用计算机和PLC的数据控制级，又称中间级，主要负责生产线上的数据采集、编程调试、工艺优化选择、参数设定等工作。

③设备层：是网络的最低级，主要使用PLC及其相关控制设备对生产过程进行实时控制，直接操纵设备的运行，以实现各种控制功能。

PLC网络系统的三层结构是一个互联的整体，方便工业生产从测量、控制到管理实现“测管控一体化”。

3）通信协议

在PLC网络中采用的通信协议分为两类：通用协议、不同公司的专用协议。

（1）通用协议

在网络金字塔的各个层次中，高层子网中一般采用通用协议，如PLC网之间的互联及PLC网与其他局域网的互联，这表明工业网络向标准化和通用化发展的趋势。高层子网传送的是管理信息，与普通商业网络性质接近，同时要解决不同种类的网络互联。国际标准化组织ISO（International Standard Organization）于1978年提出的开放系统互联OSI（Open Systems Interconnection）模型一般分为七层，如图6-17所示。

图6-17　OSI模型

OSI参考模型将整个网络通信的功能划分为七个层次，它们由低到高分别是物理层、链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。每层完成一定的功能，每层都直接为其上层提供服务，并且所有层次都互相支持。第四层到第七层主要负责互操作性，而第一层到第三层则用于创造两个网络设备间的物理连接。在该模型中，实际通信就是通过物理层在物理互联媒体上进行的，上面的任何一层都以物理层为基础，对等层之间可以实现开放系统互联。常用的通用协议有两种：一是MAP（Manufacture Automation Protocol）协议，二是Ethernet协议，这也反映了PLC网络标准化与通用化的趋势。PLC网的互联，PLC网与其他局域网的互联将通过高层进行。

（2）专用协议

低层子网和中间层子网一般采用专用协议，尤其是最底层子网，由于传送的是过程数据及控制命令，这种信息较短，但实时性要求高。专用协议的层次一般只有物理层、链路层及应用层，而省略了通用协议所必须的其他层，信息传递速率快。

实际应用中，一般采用3～4级子网构成复合型结构，而不一定是开发系统互连（OSI）参考模型的七层，不同层采用相应的通信协议。

计算机加入不同级别的子网，必须按所连入的子网配置通信模板，并按该级子网配置的通信协议编写用户程序，一般在PLC中不需编写程序。对于协议比较复杂的干网，可购置厂家供应的通信软件装入计算机中，将使用户编写通信程序变得比较简单、方便。

4）常用的PLC网络通信方法介绍

（1）主从总线通信方式

主从总线通信方式是在PLC通信网络上采用的一种通信方式。在总线结构的PLC子网中只有一个主站（一台PC或一台主PLC），其他皆是从站，故主从总线通信方式又称为1∶N通信方式。主从机之间的数据交换方式常用查询、中断和广播三种方式。

①查询方式：首先要建立查询表，它是一张从机号排列顺序表，该表配置在主站中，主站按照查询表的排列顺序对从站进行询问，与从机进行数据交换，从而达到分配总线使用权的目的。

②中断方式：发送请求标志位和中断标志位均被置位，这种传输具有最高优先权。如果接收从机的中断位被置位，则告知有数据传输，从而启动中断。只有机号在中断表中的从机能产生中断，若同时有两个以上中断请求，则按中断表中的顺序执行，这时中断方式必须和查询方式交叉进行，执行一次中断传输后，执行一次查询传输，再执行等待着的中断传输。

③广播方式：主机发送一个信息给PLC网络中的所有从机，从机执行该信息指定的操作，但不回送信息给主机。

主从总线通信方式采用集中式存取控制技术分配总线使用权，通常采用查询法。为了保证实时性，要求查询表包含每个从站号不能少于一次，这样在周期查询时，每个从站在一个周期中至少有一次机会取得总线使用权，从而保证了每个站的基本实时性。对于实时性要求比较高的站，可以在轮询表中让其从机号多出现几次，这样就用静态的方式，赋予该站较高的通信优先权。在有些主从总线中，查询法与中断法结合使用，可以让紧急任务打断正常的周期轮询而插入，获得优先服务，这就是用动态赋予某项紧急任务以较高优先权。

存取控制只解决了谁使用总线的问题，获得总线的从站还有如何使用总线的问题，即采用什么样的数据传送方式。

主从总线通信方式中有两种基本的数据传送方式。一种是只允许主从通信，不允许从从通信，从站与从站要交换数据，必须经主站中转；另一种是既允许主从通信也允许从从通信，从站获得总线使用权后安排主从通信，再安排自己与其他从站（即从从）之间的通信。

（2）等同系统间接通信访问方式

①CSMA/CD（Carrier-sense Multiple Access with Collision Detection，载波侦听多路访问/冲突检测）方式：是一种随机通信方式，适用于总线结构的PLC网络，总线上各站地位平等，没有主从之分。采用CSMA/CD存取控制方式，该控制方式用通俗的语言描述为“先听后讲，边讲边听”。所谓“先听后讲”是指要求使用总线的各站，在发送数据之前必须先监听，看看总线是否空闲，当总线空闲后再向总线发送数据。“先听后讲”并不能完全避免冲突，如果仍发生了冲突，则不能等到差错校验时再发现，这样对通信资源浪费太严重，而要采用“边讲边听”。发送数据的站，一边发送，一边监听，若发现冲突，立即停止发送，并发出阻塞音，通知网上的其他站发生了冲突，经短暂延时后又重新发送。网络上任一节点均具有检测介质上通信忙闲情况的能力，若侦听到空闲，则网络上任一节点都可以发送信息，这可能出现两个以上的节点同时发送信息造成冲突。因此，网上任一节点又各有检测通道，检测所发送信息是否遭遇冲突，如果是则放弃本次发送。

CSMA/CD存取控制方式不能保证在一定时间周期内，PLC网上每个站都可获得总线使用权，也不能用静态方式赋予某些站以较高优先权，不能用动态方式赋予某些紧急通信任务以较高优先权，因此这是一种不能保证实时性的存取控制方式，但是它采用随机方式，方法本身简单，而且见缝插针，只要总线空闲就抢着上网，通信资源利用率高，因而在PLC网络中的CSMA/CD通信法适合用于上层生产管理子网。

CSMA/CD通信方式的数据传送方式可以选用有连接、无连接、有应答、无应答及广播通信中的任一种，这可按对通信速度及可靠性的要求取舍。

②令牌通信方式：令牌通信方式又称为N∶N通信方式。有少量的PLC网络采用环形拓扑结构，其存取控制采用令牌法，具有较好的实时性。在环形结构总线上的PLC有N个站，它们地位平等没有主站与从站之分，也可以说N个站都是主站，所以称之为N∶N通信方式。

N∶N通信方式采用令牌总线存取控制技术。在物理总线上组成一个逻辑环，让一个令牌（Token）在逻辑环中按一定方向依次流动，获得令牌的站就取得了总线使用权。令牌总线存取控制方式限定每个站的令牌持有时间，保证在令牌循环一周时每个站都有机会获得总线使用权，并提供优先级服务，因此令牌总线存取控制方式具有较好的实时性。

在环形结构总线上，每一瞬间只允许一个节点发送信息，即有一个称为令牌的发信权数据在环路上不断传送，拥有此令牌的节点才有权向环路上发送信息，而其他节点则只能接收信息。节点在传送信息完毕后将令牌交给网络上的下一个节点，若该节点无信息需要发送，便将令牌顺次移交下一个节点。采用该方式的网络上每个节点都知道信息的来去动向，保证了较高的信息传输确定性，且能计算信息传输的延迟时间，较适合于实时系统应用。

取得令牌的站采用什么样的数据传送方式对实时性影响非常明显。如果采用无应答数据传送方式，取得令牌的站可以立即向目的站发送数据，发送结束，通信过程也就完成了。如果采用有应答数据传送方式，取得令牌的站向目的站发送完数据后并不算通信完成，必须等目的站获得令牌并把答应帧发给发送站后，整个通信过程才结束，这样响应时间明显增长，实时性下降。

有些令牌总线型PLC网络的数据传送方式固定为有应答数据传送方式一种，有些则可由用户选择。

（3）浮动主站通信方式

浮动主站通信方式又称N∶M通信方式，它适用于总线结构的PLC网络。设在总线上有M个站，其中N（N＜M）个为主站，其余为从站，故称之为N∶M通信方式。

N∶M通信方式采用令牌总线与主从总线相结合的存取控制技术。首先把N个主站组成逻辑环，通过令牌在逻辑环中依次流动，在N个主站之间分配总线使用权，这就是浮动主站的含义。获得总线使用权的主站再按照主从方式确定在自己的令牌持有时间内与哪些站通信。一般在主站中配置一张查询表，可按查询表上排列的其他主站号及从站号进行轮询，获得令牌的主站对于用户随机提出的通信任务可按优先级安排在轮询之前或之后进行。

获得总线使用的主站可以采用多种数据传送方式与目的站通信，其中以无应答无连接方式的速度最快。

（4）周期I/O通信方式

PLC的远程I/O链路是一种PLC控制网络，在远程I/O链路中采用“周期I/O方式”交换数据。远程I/O链路按主从方式工作，可编程控制器带的远程I/O主单元在远程I/O链路中担任主站，其他远程I/O单元皆为从站。在主站中设立一个“远程I/O缓冲区”，采用信箱结构，划分为n个分箱与每个从站一一对应，每个分箱再分为两格，一格管发送，一格管接收。主站中负责通信的处理器采用周期扫描方式，按顺序与各从站交换数据，把与其对应的分箱中发送分格的数据送给从站，从从站中读取数据存入与其对应的分箱的接收分格中。这样周而复始，使主站中的“远程I/O缓冲区”得到周期性的刷新。

在主站中PLC的CPU单元负责用户程序的扫描，它按照循环扫描方式进行扫描处理，每个周期都有一段时间集中进行I/O处理，这时它对本地I/O单元及远程I/O缓冲区进行读/写操作。PLC的CPU单元对用户程序的周期性循环扫描，与PLC负责通信的处理器对各远程I/O单元的周期性扫描是异步进行的。

尽管PLC的CPU单元没有直接对远程I/O单元进行操作，但是由于远程I/O缓冲区获得周期性刷新，PLC的CPU单元对远程I/O缓冲区的读/写操作，就相当于直接访问了远程I/O单元。

主站中负责通信的处理器采用周期扫描方式与各从站交换数据，使主站中“远程I/O缓冲区”得到周期性刷新，这样一种通信方式既涉及到周期又涉及到I/O，因而被称为“周期I/O方式”，这种通信方式要占用PLC的I/O区，因此只适用于少量数据的通信。从表面看来远程I/O链路的通信就好像是PLC直接对远程I/O单元进行读/写操作，所以较为简单。

（5）全局I/O通信方式

全局I/O通信方式是一种串行共享存储区通信方式，主要用于带有链接区的PLC之间的通信。

全局I/O通信方式的原理如图6-18所示。在PLC网络的每台PLC的I/O区中各划出一块来作为链接区，每一个链接区采用邮箱结构。相同编号的发送区与接收区大小相同，占用相同的地址段，一个为发送区，其他皆为接收区。采用广播方式通信。PLC1把1^＃发送区的数据在PLC网络上广播，PLC2、PLC3接收到后把它接收下来存入各自的1^＃接收区中；PLC2把2^＃发送区的数据在PLC网络上广播，PLC1、PLC3接收到后把它接收下来存入各自的2^＃接收区中；PLC3把3^＃发送区数据在PLC网络上广播，PLC1、PLC2把它接收下来存入各自的3^＃接收区中。显然通过上述广播通信过程，PLC1、PLC2、PLC3的各链接区中数据是相同的，这个过程称为等值变化过程，通过等值化通信使得PLC网络中的每台PLC链接区中的数据保持一致。它既包含着自己送出去的数据，也包含着其他PLC送来的数据。由于每台PLC链接区大小一样，占用的地址段相同，每台PLC只要访问自己的链接区，就等于访问了其他PLC的链接区，也就相当于与其他PLC交换了数据。这样链接区就变成了名副其实的共享存储，共享区成为各PLC交换数据的中介。

图6-18　全局I/O通信方式原理

当然这里的共享存储区与并行总线的共享存储区在结构上有些差别，它把物理上分布在各站的链接区，通过等值化通信使其好像重叠在一起，在逻辑上变成一个存储区，大小与一个链接区一样，这种共享存储区称为串行共享存储区。

链接区可以采用异步方式刷新（等值化），也可以采用同步方式刷新。异步方式刷新与PLC中用户程序无关，由各PLC所带的通信处理器按顺序进行广播通信，周而复始，使其所有链接区保持等值化，同步方式刷新是由用户程序中对链接区的发送指令启动一次刷新，这种方式只有当链接区的发送数据变化时才刷新（等值化），这样事半功倍。

全局I/O方式中的链接区是从PLC的I/O区划分出来的，经过等值化通信变成所有PLC共享（全局共享），因此称为“全局I/O方式”。这种方式下PLC直接用读写指令对链接区进行读/写操作，简单、方便、快速，但应注意在一台PLC中对某地址的写操作在其他PLC中对同一地址只能进行读操作。与周期I/O方式一样，全局I/O方式也要占用PLC的I/O区，因而这适用于少量数据的通信。

PLC网络中，各站通过通信子网互联在一起，当某站对子网请求通信时，它对响应时间是有要求的，不同站对实时性的要求可能不同，同一站不同通信任务对实时性的要求也可能不同。一项通信任务的实时性得到满足是指其响应时间小于规定的时限；一个站的实时性合乎要求是指该站提出的所有通信任务在指定的时限内都能获得响应。整个通信子网的实时性符合要求是指分布在子网上每一个站的每项通信任务的实时性均得到保证。

PLC网络的实时性首先是由它所选用的存取控制方式来保证的。提高实时性还可以通过减少通信协议的层数来实现。另外，选择适当的数据传送方式对于提高实时性有明显的效果，发送数据要求对方应答，比无应答服务慢得多，要求连接又要有应答的服务则更慢，而广播式通信最快。当然不能只考虑实时性，还要考虑可靠性。